1、第三章第三章 电子显微分析电子显微分析 本章要点：本章要点：1.1.了解电子显微镜分析的物理基础理论；了解电子显微镜分析的物理基础理论；2.2.熟悉电子显微镜的基本构造和成像理论；熟悉电子显微镜的基本构造和成像理论；4.4.重点掌握扫描电子显微镜的形貌分析方法重点掌握扫描电子显微镜的形貌分析方法和波谱、能谱成分分析方法和波谱、能谱成分分析方法. .3.3.掌握电子显微镜形貌、结构和成分分析方法；掌握电子显微镜形貌、结构和成分分析方法；前言前言什么叫什么叫电子显微电子显微分析？分析？ 利用高能的电子束作为照明源，利用电利用高能的电子束作为照明源，利用电子束与样品物质交互作用，产生的物理信号子束与
2、样品物质交互作用，产生的物理信号束来分析材料的显微组织、微区结构及化学束来分析材料的显微组织、微区结构及化学成分的方法。成分的方法。用扫描电子显微镜进行的用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析扫描电子显微分析；用透射电子显微镜进行的用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析透射电子显微分析；用电子探针进行的用电子探针进行的X X射线显微分析射线显微分析. . 电子显微电子显微分析包括：分析包括： 电子显微分析是材料科学的重要分析方法之电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，它与其它的形貌、结构、成分分析方法相比一，它与其它的形貌、结构、成分分析方法相比具有以下特点：具有以下特点：前言前言（3 3
3、）各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合性发展，性发展，可进行形貌、物相、晶体结构和化学可进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析组成等的综合分析。（1 1）可在可在极高放大倍率极高放大倍率下直观试样的形貌、结构、下直观试样的形貌、结构、选择分析区域。选择分析区域。（2 2）是是一种微区分析方法，具有高的分辨率（达一种微区分析方法，具有高的分辨率（达到到0.20.3nm 0.20.3nm ），可直接分辨原子，能进行，可直接分辨原子，能进行nmnm尺尺度的晶体结构及化学组成分析。度的晶体结构及化学组成分析。 电子显微镜电子显微镜 (electron m
4、icroscope(electron microscope，EM) EM) 一一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理来作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细结研究物质构造及微细结构的精密仪器。构的精密仪器。前言 近年来，由於电子光学的理论及应用发展迅速，近年来，由於电子光学的理论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，故此项定义已嫌狭窄，故重新定义重新定义其为：其为： 一项利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定一项利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定微区域晶体结构微区域晶体结构(crystal structure(crystal s
5、tructure， CS) CS) 、微、微细组织细组织 (microstructure(microstructure，MS) MS) 、 化学成份化学成份(chemical composition(chemical composition，CC) CC) 、 化学键结化学键结(chemical bonding(chemical bonding，CB) CB) 和电子分布情况和电子分布情况 (electronic structure(electronic structure，ES) ES) 的电子光学装置。的电子光学装置。 众所周知，现代科学技术的迅速发展，要众所周知，现代科学技术的迅速发展，
6、要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功能材料。能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。构及成分分布。前言前言 因此，为了研究新的材料或改善传统材料，因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微
7、区成分的变化，并进而揭示和微区成分的变化，并进而揭示材料成分材料成分工工艺艺微观结构微观结构性能性能之间关系的规律，建立和之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合金设发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合金设计。计。前言前言第一部分第一部分 透射透射电子显微镜电子显微镜引言引言 光学显微镜及扫描电镜均只能观察物质光学显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。而息。而透射电镜透射电镜由于入射电子透射试样后，由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，这样，就将与试样内部原子发生相互作用，这样，就可以根据
8、透射电子图象所获得的信息来了解可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。试样内部的结构。日本电子公司日本电子公司 JEM-透射电镜透射电镜为什么要用为什么要用 TEM？ 1. 常规结构分析手段和特点常规结构分析手段和特点 光学显微镜光学显微镜：分辨率：分辨率 rc=0.2 m， M1000 X。 XRD: 相和结构和位向分析，不能作形貌观察。相和结构和位向分析，不能作形貌观察。 SEM： 形貌分析，主要作表面形貌分析，形貌分析，主要作表面形貌分析， 制样简制样简单。分辨率比光镜高，但不及单。分辨率比光镜高，但不及 TEM。 TEM：形貌结构，分辨率高，：形貌结构，分辨率高， rc2
9、-3 ，制样较，制样较复杂复杂. 引言引言 场离子显微镜场离子显微镜： 原子相，原子相， 制样特别困难制样特别困难 （针尖样品）（针尖样品） STMSTM、AFMAFM： 原子相，原子相， 材料组装材料组装 （仅作表面分析）（仅作表面分析）引言引言 简称透射电镜或简称透射电镜或TEMTEM，是以波长极短的电是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。的电子光学仪器。透射电子显微镜透射电子显微镜 (transmission electron (transmission electron m
10、icroscope)microscope)引言引言 19321932年，德国的克诺尔（年，德国的克诺尔（KnollKnoll）和伊斯卡）和伊斯卡（RuskaRuska）在实验室制作第一部穿透式电子显微镜；）在实验室制作第一部穿透式电子显微镜；引言引言发展史发展史 1938 1938年，第一部商售电子显微镜问世。年，第一部商售电子显微镜问世。 在在19401940年代，常用的年代，常用的50 50 至至100 keV100 keV 之之TEM TEM 其其分辨率分辨率(resolving power) (resolving power) 约在约在l0 nml0 nm左右，而左右，而最佳分辨率则在
11、最佳分辨率则在2 2至至3 nm3 nm之间。当时由于研磨试之间。当时由于研磨试片的困难及缺乏应用的动机，所以鲜为物理科学片的困难及缺乏应用的动机，所以鲜为物理科学研究者使用。研究者使用。Al-Mn （1984）直到直到19501950年代中期，由於成功地以年代中期，由於成功地以TEMTEM观察到观察到不锈钢中的位错及铝合金中的小不锈钢中的位错及铝合金中的小G.P.G.P.区区(G.P. (G.P. zone)zone)，再加上各种研究方法的改进，如：，再加上各种研究方法的改进，如：引言引言(l) (l) 试片的研磨。试片的研磨。 (2) TEM(2) TEM一般的分辨率由一般的分辨率由2.5
12、 nm2.5 nm增进到数埃。增进到数埃。 (3) (3) 双聚光镜的应用增进双聚光镜的应用增进TEMTEM微区域观察的效力。微区域观察的效力。 (4) (4) 晶体中缺陷电子衍射成像对比理论的发展。晶体中缺陷电子衍射成像对比理论的发展。 (5) (5) 载物台的改进，如倾斜、旋转装置之渐臻实用等。载物台的改进，如倾斜、旋转装置之渐臻实用等。 TEM TEM学因此才一日千里，为自然科学研究者所学因此才一日千里，为自然科学研究者所广泛使用。广泛使用。引言引言在在2020世纪世纪5050年代以前，透射电镜主要用于微年代以前，透射电镜主要用于微细组织的形貌观察。细组织的形貌观察。 2020世纪世纪5
13、050年代以后，透射电镜已普遍配有选年代以后，透射电镜已普遍配有选区电子衍射装置，使它不仅可作高分辨率形貌观区电子衍射装置，使它不仅可作高分辨率形貌观察，还可以作微区结构分析。察，还可以作微区结构分析。由透射由透射电子显微镜电子显微镜拍拍摄摄的的葡萄狀球菌葡萄狀球菌的病毒細胞的病毒細胞, , 放大倍數放大倍數 50000 x50000 x近年来近年来TEMTEM主要发展方向为主要发展方向为：(1) (1) 高电压高电压：增加电子穿透试样的能力，可：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，现场观察观察较厚、较具代表性的试样，现场观察(in-situ observalion(in-s
14、itu observalion) ) 辐射损伤；减少波辐射损伤；减少波长散布像差长散布像差(chromatic aberration) ; (chromatic aberration) ; 增加增加分辨率等，目前已有数部分辨率等，目前已有数部2 2一一3 MeV3 MeV的的TEMTEM在使在使用中。下图为一用中。下图为一400 keV400 keV TEM TEM之外形图之外形图。引言引言引言引言引言引言(2)(2)高分辨率高分辨率：已增进到厂家保证最佳解像能：已增进到厂家保证最佳解像能为点与点间为点与点间0.18nm0.18nm、线与线间、线与线间0.14nm0.14nm。美国於。美国於1
15、9831983年成立国家电子显微镜中心，其中年成立国家电子显微镜中心，其中l000keVl000keV之原子分辨电子显微镜之原子分辨电子显微镜 (atomic (atomic resolution electron microscoperesolution electron microscope，AREM) AREM) 其其点与点间之分辨率达点与点间之分辨率达0.17nm0.17nm，可直接观察晶体，可直接观察晶体中的原子。中的原子。(3) (3) 分析装置分析装置：如附加电子能量分析仪：如附加电子能量分析仪 (electron analyzer(electron analyzer，EA) E
16、A) 可鉴定微区域的化可鉴定微区域的化学组成。学组成。 (4)(4)场发射电子光源场发射电子光源: : 具高亮度及契合性，电子具高亮度及契合性，电子束可小至束可小至1nm1nm。除适用於微区域成份分析外，更。除适用於微区域成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术有潜力发展三度空间全像术(holography)(holography)。引言引言1.1 1.1 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 （1 1）背散射电子：）背散射电子：定义：是被固体样品中的定义：是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分电原子核反弹回来的一部分电子。子。弹性背散射弹性背散射原子核作用；原子核作
17、用；E=E=几千几千 几万几万eVeV. .样品在电子束的轰击下会产生以下各种信号：样品在电子束的轰击下会产生以下各种信号：可分可分产额（产生的几率）：产额（产生的几率）： 背散射电子的产额与原子序数有关背散射电子的产额与原子序数有关； 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 非弹性背散射非弹性背散射核外电子作用；核外电子作用；E=E=几百几百 几千几千eVeV. .1.1 1.1 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 （2 2）二次电子：）二次电子：定义：在入射电子束作定义：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样用下被轰击出来并离开
18、样品表面的核外电子。品表面的核外电子。二次电子来自表面二次电子来自表面5-10nm5-10nm的区域，能量为的区域，能量为0-50eV0-50eV。产额（产生的几率）：产额（产生的几率）：二次电子的产额与表面形貌有关。二次电子的产额与表面形貌有关。它对试样表面状态非它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 1.1 1.1 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 （3 3）吸收电子：）吸收电子：被样品吸收，实质是经多次非弹性散射，能量损失被
19、样品吸收，实质是经多次非弹性散射，能量损失耗尽。耗尽。可以利用吸收电流这个信号成像，还可得出原子可以利用吸收电流这个信号成像，还可得出原子序数不同的元素的定性分布情况，被序数不同的元素的定性分布情况，被广泛应用于广泛应用于SEMSEM和和电子探针仪中。电子探针仪中。 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 1.1 1.1 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 （4）特征）特征X-ray：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子原子就会处于能量
20、较高的激发状态，此时外层电子将向内层电子跃迁以填补内层电子的空缺，从而使将向内层电子跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的具有特征能量的X-rayX-ray释放出来。释放出来。 X X射线一般在试样的射线一般在试样的500nm-5nm500nm-5nm深处发出。深处发出。 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 （5）俄歇电子）俄歇电子： 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 定义：如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能定义：如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以量不是以X X射线的形式释放出去，
21、而是用该能量将核外另一射线的形式释放出去，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这个电子叫做俄歇电子。电子打出，脱离原子变为二次电子，这个电子叫做俄歇电子。能量在能量在50-1500eV50-1500eV范围内；俄歇电子是由试样表面极有限范围内；俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，说明的几个原子层中发出的，说明俄歇电子信号适用与表层化学俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。成分分析。 1.1 1.1 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 电子束和固体样品表面作用时产生的信号电子束和固体样品表面作用时产生的信号 1.1 1.1 电子束与固体样
22、品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 （6）透射电子）透射电子：穿过样品的电子，穿过样品的电子，应用于透射电子成像应用于透射电子成像. .1.2 透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜的结构与工作原理1.2.1 透射电子显微镜的结构透射电子显微镜的结构 透射电镜外观照片透射电镜外观照片 透射电镜透射电镜 主要由主要由a.a.电子光学系统电子光学系统c.c.电源系统电源系统b.b.真空系统真空系统（1）电子光学系统电子光学系统( (镜筒镜筒) )样品室物镜观察记录系统成像系统照明系统聚光镜电子枪灯丝（阴极）栅极中间镜投影镜（目镜）照明机构荧光屏是是TEMTEM的核心的核心阳极
23、1.2 透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜的结构与工作原理a.a.照明系统照明系统作用：作用：使具有一定能量、足够大使具有一定能量、足够大电流密度和适当小孔径角的电子束电流密度和适当小孔径角的电子束照射到试样上；照射到试样上；电子光学系统结构电子光学系统结构b.b.电子枪电子枪是是TEMTEM的电子源，常用的是的电子源，常用的是三三极电子枪（由阴极、栅极和阳极极电子枪（由阴极、栅极和阳极构成构成 ）；在真空中通电加热后）；在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流；动能形成定向高速电子流；c.c.聚光镜聚光镜作用：会聚从电子枪发射
24、出来的作用：会聚从电子枪发射出来的电子束，以最小的损失照明试样，电子束，以最小的损失照明试样，控制照明孔径角、电流密度和光斑控制照明孔径角、电流密度和光斑尺寸；一般都采用双聚光镜；尺寸；一般都采用双聚光镜； 电子光学系统结构电子光学系统结构d.d.成像系统成像系统一般由一般由物镜、中间镜和投影镜物镜、中间镜和投影镜组组成。成。e.物镜物镜用来形成第一幅高分辨率电子显用来形成第一幅高分辨率电子显微图或电子衍射花样，微图或电子衍射花样，TEMTEM分辨本分辨本领的高低主要取决于物镜；领的高低主要取决于物镜； f.中间镜中间镜利用中间镜的可变倍率来控制总利用中间镜的可变倍率来控制总的放大倍数；的放大
25、倍数；g.投影镜投影镜将中间镜放大（或缩小）的像进将中间镜放大（或缩小）的像进一步放大并投影到荧光屏上；一步放大并投影到荧光屏上；d.d.成像系统成像系统目前高性能的目前高性能的TEMTEM大都采用大都采用5 5级透镜放大，即级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜、第一投影镜和第二投影镜。二中间镜、第一投影镜和第二投影镜。电子光学系统结构电子光学系统结构h.h.观察记录系统观察记录系统用来观察和拍摄经成像和放大的用来观察和拍摄经成像和放大的电子像；电子像；i.i.样品室样品室用来承载样品，一般是铜网，可用来承载样品，一般是铜网，可使样
26、品倾斜和旋转；使样品倾斜和旋转；记录系统：记录系统： 荧光屏、荧光屏、 照相机照相机（2）真空）真空系统系统真空度：真空度： 1010-4-41010-6-6托，避免成像衬度降低以及污染托，避免成像衬度降低以及污染样品、腐蚀灯丝等；样品、腐蚀灯丝等； （3）电源）电源系统系统电源与控制电源与控制稳定性作用。稳定性作用。1.2 透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜光路原理图透射电子显微镜光路原理图1.2.2 透射电子显微镜的工作原理透射电子显微镜的工作原理1.2 透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜的结构与工作原理1.2.2 透射电子显微镜的工作原理
27、透射电子显微镜的工作原理电子枪产生的电子束经电子枪产生的电子束经1212级聚光镜会聚后均匀照射到级聚光镜会聚后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域，试样上的某一待观察微小区域，入射电子与试样物质相入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应，度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应，透射出试样的电子经物镜、中间镜、投影镜的三级磁透透射出试样的电子经物镜、中间镜、投影镜的三级磁透镜放大投射到观察图形的荧光屏上，荧光屏把电子强度镜放大投射到观察图形的荧光屏上，荧光屏把电子强度
28、分布转变为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出分布转变为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出与试样形貌、组织、结构相应的图像。与试样形貌、组织、结构相应的图像。1.2 透射电子显微镜的结构与工作原理透射电子显微镜的结构与工作原理1.3 透射电子显微镜的主要性能指标透射电子显微镜的主要性能指标TEMTEM的主要性能指标是的主要性能指标是分辨率分辨率，放大倍数放大倍数和和加速电压加速电压。1.3.1 1.3.1 分辨率分辨率是是TEMTEM最主要的性能指标，它表征了电镜显示显微组最主要的性能指标，它表征了电镜显示显微组织结构细节的能力。织结构细节的能力。（1 1）分）分点分辨率点分辨率：在电子
29、图像上能分辨出对应物上分：在电子图像上能分辨出对应物上分离的最近两点间的距离；离的最近两点间的距离；线分辨率：线分辨率：表示电镜所能分辨的两条线之间的表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离；最小距离；（2 2）性能：目前，点分辨率：）性能：目前，点分辨率：0.190.25nm;0.190.25nm; 线分辨率：线分辨率：0.1040.14nm.0.1040.14nm.1.3.2 放大倍数放大倍数目前，普通目前，普通TEMTEM的的放大倍数变化范围放大倍数变化范围：100100倍到倍到8080万倍，万倍， 个别可达个别可达5050倍倍120120万倍万倍。（1 1）定义：定义：指电子图像对于所观
30、察试样区的线性放大率指电子图像对于所观察试样区的线性放大率. .（2）性能：）性能：1.3 透射电子显微镜的主要性能指标透射电子显微镜的主要性能指标1.3.3 加速电压加速电压（1 1）定义定义: :是指电子枪的阳极相对于灯丝（阴极）的是指电子枪的阳极相对于灯丝（阴极）的电压，它决定了电子枪发射的电子束的能量。电压，它决定了电子枪发射的电子束的能量。（2 2）性能）性能: :目前，普通目前，普通TEMTEM的的最高加速电压一般为最高加速电压一般为100KV100KV和和200KV.200KV.（3 3）特点：特点：加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以
31、观察较厚的试样，同时分辨率越高，对试样的辐射可以观察较厚的试样，同时分辨率越高，对试样的辐射损伤越小。损伤越小。1.3 透射电子显微镜的主要性能指标透射电子显微镜的主要性能指标 分分 辨辨 率：率：0.34nm 加速电压：加速电压：75KV200KV 放大倍数：放大倍数：25万倍万倍 能能 谱谱 仪：仪：EDAX9100 扫描附件：扫描附件：S7010 日本日立公司日本日立公司H H700700电子显微镜，配有双倾台电子显微镜，配有双倾台，并带有，并带有70107010扫描附件和扫描附件和EDAX9100EDAX9100能谱。该仪器能谱。该仪器不但适合于医学、化学、不但适合于医学、化学、微生物
32、等方面的研究，由微生物等方面的研究，由于加速电压高，更适合于于加速电压高，更适合于金属材料、矿物及高分子金属材料、矿物及高分子材料的观察与结构分析，材料的观察与结构分析，并能配合能谱进行微区成并能配合能谱进行微区成份分析。份分析。 CM200-FEG场发射枪电镜场发射枪电镜 加速电压加速电压20KV20KV、40KV40KV、 80KV80KV、160KV160KV、200KV200KV 可连续设置加速电压可连续设置加速电压 热场发射枪热场发射枪 晶格分辨率晶格分辨率 1.41.4 点分辨率点分辨率 2.42.4 最小电子束直径最小电子束直径1nm1nm 能量分辨率约能量分辨率约1ev1ev
33、倾转角度倾转角度=2020度度 = =2525度度JEM-2010透射电镜透射电镜 加速电压加速电压200KV200KV LaB6LaB6灯丝灯丝 点分辨率点分辨率 1.941.94EM420透射电子显微镜透射电子显微镜 加速电压加速电压20KV20KV、40KV40KV、 60KV60KV、80KV80KV、100KV100KV、120KV120KV 晶格分辨率晶格分辨率 2.042.04点分辨率点分辨率 3.43.4 最小电子束直径约最小电子束直径约2nm2nm 倾转角度倾转角度=6060度度 =3030度度Philips CM12透射电镜透射电镜加速电压加速电压20KV20KV、40KV
34、40KV、60KV60KV、80KV80KV、100KV100KV、120KV120KV LaB6 LaB6或或W W灯丝灯丝 晶格分辨率晶格分辨率 2.042.04点分辨率点分辨率 3.43.4 最小电子束直径约最小电子束直径约2nm2nm； 倾转角度倾转角度=2020度度 = =2525度度CEISS902电镜 加速电压加速电压50KV50KV、80KV80KV W W灯丝灯丝 顶插式样品台顶插式样品台 能量分辨率能量分辨率1.5ev1.5ev 倾转角度倾转角度=6060度度 JEM-3010透射电镜 加速电压加速电压100KV300KV LaB6灯丝灯丝 点分辨率点分辨率 0.19nm
35、放大倍数放大倍数50倍倍120万倍万倍 日本电子株式会社日本电子株式会社（JEOLJEOL）生产，超高分辨与分析）生产，超高分辨与分析型相结合，可在形貌观察和晶体型相结合，可在形貌观察和晶体结构分析的同时进行微区成分分结构分析的同时进行微区成分分析。带有附件析。带有附件Oxford INCAOxford INCA能谱能谱仪，可对仪，可对5 5BB9292U U的的 元素进行成分元素进行成分的定性和定量分析。的定性和定量分析。1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度图像衬度图像衬度：图像上不同区域间明暗程度的差别。图像上不同区域间明暗程度的差别。质厚衬度质厚衬度图像衬度分为图像衬
36、度分为衍射衬度衍射衬度相位衬度相位衬度1.4.1 质厚衬度质厚衬度（1 1）定义定义：对于：对于无定形或非晶态无定形或非晶态试样，电子图像的衬试样，电子图像的衬度是由于试样各部分的密度度是由于试样各部分的密度（或原子序数）和厚度（或原子序数）和厚度t t不同形成的，这种衬度称为质量厚度（不同形成的，这种衬度称为质量厚度（ t t）衬度，）衬度，简称质厚衬度。简称质厚衬度。（2） 透射电镜小孔径角成像透射电镜小孔径角成像 为了为了确保透射电镜的分辨本领确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半物镜的孔径半角必须很小角必须很小，即采用小孔径角成像。一般是在物，即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上
37、放一称为物镜光阑的小孔径的光镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。结果，把散射角大于阑来达到这个目的。结果，把散射角大于的电子的电子挡掉，只允许散射角小于挡掉，只允许散射角小于的电子通过物镜光阑参的电子通过物镜光阑参与成像。与成像。1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度B BA AA1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度 设强度为设强度为I0 的电子束照射在试样上，试样厚的电子束照射在试样上，试样厚度为度为t，原子量为，原子量为A、密度为、密度为，对电子的散射截，对电子的散射截面为面为a，则参与成像的电子束强度，则参与成像的电子束强度I
38、为：为：式中式中k阿佛加德罗常数。阿佛加德罗常数。图像上相邻的反差决定成像电子束强度：图像上相邻的反差决定成像电子束强度：I1、I2为相邻两点的成像电子束强度。为相邻两点的成像电子束强度。 1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度将式将式代入式代入式，得：，得：由于透射电镜中所用试样很薄，由于透射电镜中所用试样很薄， 式可简化为式可简化为 可用可用式来分析图像上的衬度与试样微观结构式来分析图像上的衬度与试样微观结构的关系。的关系。（1 1）若试样上相邻两点的厚度相同，则：）若试样上相邻两点的厚度相同，则：图像衬度与原子序数及密度有关图像衬度与原子序数及密度有关。（2 2）若试样
39、上相邻两点的物质种类和结构完全）若试样上相邻两点的物质种类和结构完全相同，则：相同，则：图像衬度反映了试样各部位的厚度差异图像衬度反映了试样各部位的厚度差异。荧光。荧光屏上暗的部位对应的试样厚，亮的部位对应的试屏上暗的部位对应的试样厚，亮的部位对应的试样薄。样薄。1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度1.4.2 衍射衬度衍射衬度（1）定义定义：由：由晶体样品晶体样品不同区不同区域满足衍射条件不同引起的。域满足衍射条件不同引起的。（2）衍射衬度形成机理：衍射衬度形成机理：衍射衬度成像光路图衍射衬度成像光路图 以单相的多晶体薄膜为以单相的多晶体薄膜为例说明如何利用衍射成像原例说明
40、如何利用衍射成像原理获得图像的衬度。理获得图像的衬度。 若薄膜内有两颗晶粒若薄膜内有两颗晶粒A、B，它们之间的唯一差别是，它们之间的唯一差别是取向不同。取向不同。1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度衍射衬度成像光路图衍射衬度成像光路图对于对于A颗粒：颗粒：当强度为当强度为Io的入的入射电子照射试样，若射电子照射试样，若A晶粒的晶粒的某某(h1k1l1)晶面组与入射电子晶面组与入射电子束交成布拉格角束交成布拉格角，形成强烈，形成强烈衍射，结果在物镜的背焦面衍射，结果在物镜的背焦面上出现强的衍射斑上出现强的衍射斑h1k1l1。若若用物镜光栏将该强斑束用物镜光栏将该强斑束h1k1
41、l1挡住，只让透射束通过进行挡住，只让透射束通过进行成像，这里设入射电子强度成像，这里设入射电子强度为为IO， (h1k1l1)衍射强度为衍射强度为Ihkl，则则A晶粒的强度为晶粒的强度为IA= IO- Ihkl；1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度对于对于B晶粒：晶粒：若若B颗粒的各晶面组颗粒的各晶面组均完全不满足布拉格条件，于是均完全不满足布拉格条件，于是透射束强度近似等于透射束强度近似等于Io的为的为IB= IO；则则A、B颗粒在像平面上的反差颗粒在像平面上的反差为为： IA/ IB= (IO- Ihkl)/ IO。即在像平面上两颗粒的亮度不同，即在像平面上两颗粒的亮
42、度不同，于是形成衬度，于是形成衬度，A A颗粒较暗而颗粒较暗而B B颗颗粒较亮。粒较亮。 衍射衬度成像光路图衍射衬度成像光路图（3）衍射衬度的应用：）衍射衬度的应用：1.4 透射电子显微镜的图像衬度透射电子显微镜的图像衬度 可以对晶体中的位错、层错、空位团等晶体缺陷进可以对晶体中的位错、层错、空位团等晶体缺陷进行直接观察。行直接观察。1.4.3 相位衬度相位衬度（1）定义定义：是透射电子束和各级衍射束之间相互干涉：是透射电子束和各级衍射束之间相互干涉而形成的。而形成的。（仅适于很薄的晶体试样，小于仅适于很薄的晶体试样，小于10nm，高分辨像时用，高分辨像时用，0.1nm以下的细节）以下的细节）
43、1.5.1布拉格定律布拉格定律1.5 电子衍射电子衍射2dsin =n（n整数）整数）（1）一束电子穿过晶体物质时与其作用产生衍射现象，一束电子穿过晶体物质时与其作用产生衍射现象，与与X-ray衍射类似，也遵循布拉格定律，即：波长为衍射类似，也遵循布拉格定律，即：波长为的电子束照射到晶体上，当电子束的入射方向与晶面的电子束照射到晶体上，当电子束的入射方向与晶面间距为间距为d的一组晶面之间的夹角为的一组晶面之间的夹角为，满足关系式，满足关系式2dsin =n（n整数）时，就在与入射束成整数）时，就在与入射束成2 的方向上产的方向上产生衍射束。生衍射束。（2）在电子衍射中，一般只考虑一级衍射，所以
44、在电子衍射中，一般只考虑一级衍射，所以2dsin =。（3）在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，晶体试样的各衍射点构成了电子衍射花样。晶体试样的各衍射点构成了电子衍射花样。1.5 电子衍射电子衍射1.5.2 电子衍射的几何关系电子衍射的几何关系衍射束衍射束入射束入射束晶体试样晶体试样底片底片LR2(hkl)G O O(000)电子衍射的基本几何关系电子衍射的基本几何关系 如左图所示，表示面如左图所示，表示面间距为间距为d的晶面（的晶面（hkl）处）处满足布拉格条件，在距离满足布拉格条件，在距离晶体试样为晶体试样为L的底片上照下的底片上照下透射
45、斑点透射斑点O 和衍射斑点和衍射斑点G， G与与 O之间的距之间的距离为离为R.R.由图可知：由图可知：R/L=tan2 由于在电子衍射中的衍射角非常小，一般只有由于在电子衍射中的衍射角非常小，一般只有12，所以，所以tan2 2sin =/d 1.5 电子衍射电子衍射Rd=L 由、 式可知R/L= R/L= / dRd=L 衍射束入射束晶体试样底片LR2(hkl)G O O(000)电子衍射的基本几何关系公式公式是电子衍射的基是电子衍射的基本公式，本公式，L L相机长度，是做电子衍射相机长度，是做电子衍射时的仪器常数；时的仪器常数；R R衍射底片上衍射斑点到透射斑点间的距离；衍射底片上衍射斑
46、点到透射斑点间的距离；d d衍射斑点对应的那一组晶面的晶面间距衍射斑点对应的那一组晶面的晶面间距. .电子束的波长，可根据加速电压来计算；电子束的波长，可根据加速电压来计算；式中式中1.5 电子衍射电子衍射1.5.3 电子衍射的特点电子衍射的特点（与（与X-ray衍射相比衍射相比）（1）衍射角很小，一般只有）衍射角很小，一般只有12.因为电子的波长短因为电子的波长短.（2）分析灵敏度高）分析灵敏度高，小到几十甚至几，小到几十甚至几nm的微晶也能给的微晶也能给出清晰的电子图像。出清晰的电子图像。（3）摄取电子衍射花样的时间短，只需几秒钟）摄取电子衍射花样的时间短，只需几秒钟，所以有，所以有可能研
47、究晶粒很小或衍射作用很弱的试样。可能研究晶粒很小或衍射作用很弱的试样。（4）电子衍射物相分析可与形貌观察结合进行）电子衍射物相分析可与形貌观察结合进行，得到有，得到有关物相的大小、形态和分布等资料。关物相的大小、形态和分布等资料。1.5 电子衍射电子衍射 透射电镜应用的深度和广度在一定程度上决定于式透射电镜应用的深度和广度在一定程度上决定于式样的制备技术。样的制备技术。由于电子束的穿透能力比较低，用由于电子束的穿透能力比较低，用TEMTEM分析的样品非常薄，根据样品的原子序数大小不同，一分析的样品非常薄，根据样品的原子序数大小不同，一般在般在5500nm5500nm之间。之间。最初电镜只能观察
48、粉末试样和苍蝇翅膀之类的东西，最初电镜只能观察粉末试样和苍蝇翅膀之类的东西，超薄切片技术的发展使得生物医学领域广泛应用电镜；超薄切片技术的发展使得生物医学领域广泛应用电镜；表面复型技术使得表面复型技术使得TEMTEM可用于观察大块金属及其他材料可用于观察大块金属及其他材料表面和断面的显微组织；金属薄膜试样制备技术，发展表面和断面的显微组织；金属薄膜试样制备技术，发展了薄晶的衍射电子显微术，可显示出材料结晶学方面的了薄晶的衍射电子显微术，可显示出材料结晶学方面的结构信息。结构信息。 1.61.6透射电子显微镜样品的制备透射电子显微镜样品的制备一般透射电镜的试样置于一般透射电镜的试样置于23mm2
49、3mm的铜网上，试样的铜网上，试样厚度在厚度在100nm100nm左右。左右。 电镜只能研究固体材料，试样中如含有水分或易电镜只能研究固体材料，试样中如含有水分或易挥发物质，须预先处理。另外，试样应有足够的强度挥发物质，须预先处理。另外，试样应有足够的强度和稳定性，在电子束的轰击下不致损坏或发生变化。和稳定性，在电子束的轰击下不致损坏或发生变化。1.61.6透射电子显微镜样品的制备透射电子显微镜样品的制备1.61.6透射电子显微镜样品的制备透射电子显微镜样品的制备 由于电子束的穿透力很弱，所以由于电子束的穿透力很弱，所以TEMTEM观察用的样品观察用的样品很薄，需放在专用的电镜样品铜网上，然后
50、装入电镜很薄，需放在专用的电镜样品铜网上，然后装入电镜的样品杯或样品杆中送入电镜观察。的样品杯或样品杆中送入电镜观察。电镜样品电镜样品铜网直径为铜网直径为3mm3mm，上有数百个孔。，上有数百个孔。1.6.1 粉末样品制备粉末样品制备 粉末样品制备的粉末样品制备的关键关键是如何将超细粉的颗粒分散开是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。来，各自独立而不团聚。（1）支持膜：铜网）支持膜：铜网+火棉胶膜火棉胶膜/碳增强火棉胶膜等；碳增强火棉胶膜等；（4）用滴管滴在支持膜上）用滴管滴在支持膜上.（3）粉末制成悬浮液，超声波方法分散；）粉末制成悬浮液，超声波方法分散；（2）喷）喷C导电、强化；
